一种基于剪切力自动制备二维层状材料的装置的制作方法

本发明涉及材料制备技术领域，尤其是一种基于剪切力自动制备二维层状材料的装置。

背景技术：

近年来，一直致力于各种二维层状材料的各项优异性质的研究，二维层状材料由于具有优异的载流子迁移率和巨大的比表面积，其在电子器件、储能材料等方面具有良好的应用前景。现有技术的微机械剥离方法多是基于液相剥离和改进的使用胶带剥离方法，目前可获得高质量二维层状材料的方法是起源于制备石墨烯的微机械剥离法——通过用胶带黏住二维层状材料母材的两侧面反复剥离而获得少层的二维层状材料。存在的问题是，由于存在二维层状材料的面内强度远低于石墨烯，难以承受反复剥离过程中产生的剪切力，最后导致获得的二维层状材料面积小且层数多，无法满足对二维层状材料的研究与应用。因为二维层状材料的许多诸如超导相变、电荷密度波相变等奇异性质仅当其厚度小于一定值的条件下才能显现，所以面积大且厚度薄的二维层状材料的制备显得尤为重要。如专利“二维碲化镓材料的制备方法”（专利号201410819701.8）。然而，该种方法由于工艺条件存在不确定性以及可控性差，导致面积及厚度难以保障，影响成品的质量及品质的稳定性。为有效推进对二维层状材料的研究与应用，制作高精度、可编程、自动高效的二维层状材料的剥离装置显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于剪切力自动制备二维层状材料的装置，本发明通过压力检测部分检测二维层状材料与硅片衬底之间的附着力，通过自动控制剥离部分的综合控制柜操控三维位移台，进而控制二维层状材料与硅片衬底之间的剥离范围，通过检测显示部分对二维层状材料的制备过程实施检测显示，从而自动完成二维层状材料的制备，确保制备面积及制备厚度在稳定及可控的工艺条件下完成，具有操作简便，制备效率高，成品质量高及品质稳定性好的优点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于剪切力自动制备二维层状材料的装置，其特点包括压力检测部分、自动控制剥离部分及检测显示部分；所述压力检测部分由光学防震平台、螺杆测试架、数显测力计、母材载物台构成；其中，螺杆测试架上设有手轮及螺杆驱动的施力杆，施力杆上设有测力计座；数显测力计上设有测力触动头；所述母材载物台设于数显测力计的测力触动头上，数显测力计设于螺杆测试架的测力计座上，螺杆测试架设于光学防震平台上；

所述自动控制剥离部分由衬底载物台、电热管、气管、三维位移台及综合控制柜构成；其中，衬底载物台上设有电热管接口及气座；三维位移台上设有驱动器及移动座；

所述衬底载物台设于三维位移台的移动座上，电热管、气管分别设于衬底载物台的电热管接口及气座上，综合控制柜与电热管及三维位移台的驱动器电连接，综合控制柜与气管气连接；

所述自动控制剥离部分的三维位移台设于压力检测部分的光学防震平台上，且自动控制剥离部分的衬底载物台位于压力检测部分的母材载物台的下方；

所述检测显示部分由数码显微镜及显示屏构成；所述数码显微镜为两件，分别沿测力计座的横向与纵向设置且固定在压力检测部分的光学防震平台上，显示屏设在压力检测部分的光学防震平台上，数码显微镜及显示屏与自动控制剥离部分的综合控制柜光电连接。

所述的综合控制柜为内设电源及加热开关、气源及气泵开关以及程控器的控制柜。

本发明通过压力检测部分检测二维层状材料与硅片衬底之间的附着力，通过自动控制剥离部分的综合控制柜操控三维位移台，进而控制二维层状材料与硅片衬底之间的剥离范围，通过检测显示部分对二维层状材料的制备过程实施检测显示，从而自动完成二维层状材料的制备，确保制备面积及制备厚度在稳定及可控的工艺条件下完成，具有操作简便，制备效率高，成品质量高及品质稳定性好的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的使用状态示意图。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括压力检测部分1、自动控制剥离部分2及检测显示部分3。

所述压力检测部分1由光学防震平台11、螺杆测试架12、数显测力计13、母材载物台14构成；其中，螺杆测试架12上设有手轮及螺杆121驱动的施力杆122，施力杆122上设有测力计座123；数显测力计13上设有测力触动头131；所述母材载物台14设于数显测力计13的测力触动头131上，数显测力计13设于螺杆测试架12的测力计座123上，螺杆测试架12设于光学防震平台11上。

所述自动控制剥离部分2由衬底载物台21、电热管22、气管23、三维位移台24及综合控制柜25构成；其中，衬底载物台21上设有电热管接口及气座；三维位移台24上设有驱动器及移动座241。

所述衬底载物台21设于三维位移台24的移动座241上，电热管22、气管23分别设于衬底载物台21的电热管接口及气座上，综合控制柜25与电热管22及三维位移台24的驱动器电连接，综合控制柜25与气管23气连接。

所述自动控制剥离部分2的三维位移台24设于压力检测部分1的光学防震平台11上，且自动控制剥离部分2的衬底载物台21位于压力检测部分1的母材载物台14的下方。

所述检测显示部分3由数码显微镜31及显示屏32构成；所述数码显微镜31为两件，分别沿测力计座123的横向与纵向设置且固定在压力检测部分1的光学防震平台11上，显示屏32设在压力检测部分1的光学防震平台11上，数码显微镜31及显示屏32与自动控制剥离部分2的综合控制柜25光电连接。

所述的综合控制柜25为内设电源及加热开关、气源及气泵开关以及程控器的控制柜。

实施例

参阅图1、图2，本发明制备二维层状材料的过程如下：制备前需准备二维层状材料母材5及硅片衬底4。

步骤1：将经过氧等离子体亲水化处理的硅片衬底4覆盖在衬底载物台21上的孔洞上，打开综合控制柜25中的气泵开关，通过气管23及气座将硅片衬底4牢牢吸附在衬底载物台21上。

步骤2：选取表面光滑且无褶皱的二维层状材料母材5用双面胶粘贴在母材载物台14上。

步骤3：启动综合控制柜25驱动三维位移台24的驱动器，使三维位移台24在光学防震平台11的平面内沿x轴和y轴移动，使硅片衬底4位于二维层状材料母材5的正下方。

步骤4：旋转螺杆测试架12上的手轮，通过螺杆121驱动施力杆122、数显测力计13及母材载物台14下行，使得二维层状材料母材5触及硅片衬底4，通过设置在两个方位的数码显微镜31监测母材载物台14和衬底载物台21之间的垂直距离，并在显示屏32上显示硅片衬底4与二维层状材料母材5触及状态的图像，并由数显测力计13上读取正压力值为0.002n。

步骤5：启动综合控制柜25的程控器驱动三维位移台24的驱动器，使三维位移台24朝向光学防震平台11平面的垂直方向沿z轴移动，调整二维层状材料母材5与硅片衬底4之间的接触力，并由数显测力计13上读取正压力值为0.3n。

通过综合控制柜25的程控器设定三维位移台24在x轴和y轴方向的运动轨迹，并将运动速度设为2mm/s。

步骤6：开启综合控制柜25中的加热开关，设定电热管22的温度为100℃，保持时间为5分钟，使得二维层状材料母材5与硅片衬底4之间呈剪切状剥离，实现面积大且厚度薄的二维层状材料的制备。

步骤7：旋转螺杆测试架12上的手轮，通过螺杆121驱动施力杆122、数显测力计13及母材载物台14上行，使得二维层状材料母材5与硅片衬底4脱离，通过数码显微镜31监测母材载物台14和衬底载物台21之间的垂直距离，并在显示屏32上显示硅片衬底4与二维层状材料母材5脱离状态的图像；关闭综合控制柜25中的气泵开关，衬底载物台21对硅片衬底4失去吸附，将硅片衬底4从衬底载物台21上取下，完成二维层状材料的制备。

为提高二维层状材料与硅片衬底4之间的附着力，本发明在衬底载物台21上设置了电热管22，通过综合控制柜25中的加热开关，控制电热管22的工作温度，利于二维层状材料的制备，其制备面积及制备厚度在稳定及可控的工艺条件下完成，确保成品的质量及品质的稳定性。